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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladestecker, eine Ladebuchse und eine Anordnung zur Erkennung eines Formschlusses zwischen einem Ladestecker und einer Ladebuchse zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Möglichkeit einer Rückmeldung an einen Anwender über einen erfolgreich eingegangenen Formschluss zur Sicherung einer Verbindung zwischen einer Ladeinfrastruktureinrichtung und einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel.
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Um elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel mit elektrischer Energie zu versorgen, werden erhebliche Leistungen zwischen einer Ladeinfrastruktureinrichtung und dem Fortbewegungsmittel übertragen. Eine Trennung der Verbindung während des Übertrages der elektrischen Leistung ist zur Vermeidung von Schäden und Gefahren unbedingt zu vermeiden. Wird bei einer konduktiven Ladeverbindung, bestehend aus Ladebuchse und Ladestecker, der Ladestecker durch einen Verriegelungsaktuator an der Ladebuchse verriegelt, ist der Verfahrweg des Verriegelungsbolzens nicht eindeutig ermittelbar ("rücklesbar"). Ein am Verriegelungsaktuator angeordneter Mikrotaster meldet über eine spezielle Schaltung, ob der Verriegelungsstift herausgefahren oder ob ein gewisser Verfahrweg erreicht wurde. Ob und wann ein derart ausgestatteter Ladestecker verriegelt wurde, kann über die Schaltung des Mikroschalters jedoch nicht zurückgemeldet werden. Die Rücklesung über einen Mikroschalter des Verriegelungsaktuators an der Ladedose hat überdies den Nachteil, dass nicht erkannt werden kann, was tatsächlich verriegelt wurde. Die Ansteuerung der Steckerverriegelung erfolgt nicht auf Basis eines plausiblen Signals. Die Verriegelung eines Ladesteckers kann nicht plausibilisiert werden (was ein wichtiger Aspekt für die funktionale Sicherheit ist). Da die vorgenannte Anordnung des Standes der Technik zudem bekanntermaßen fehleranfällig ist und die Steckerverriegelung entsprechend der Gefahren- und Risikoanalyse für das DC-Laden sicherheitsrelevant ist, besteht Optimierungsbedarf.
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DE 20 2008 009 929 U1 offenbart eine Ladesteckvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb, bei welcher ein Hall-Sensor vorgesehen ist, der bei verbundener Ladesteckvorrichtung eine andere Spannung liefert, als bei nicht verbundener Ladesteckvorrichtung. Diese vom Hall-Sensor gelieferte Spannung kann für vielerlei Anwendungen genutzt werden. Beispielsweise kann eine Steuereinrichtung den Ladevorgang in Abhängigkeit des Signals starten oder verhindern. Eine Überprüfung eines Verriegelungsstatus erfolgt nicht.
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DE 10 2011 002 024 A1 offenbart einen Ladestecker mit berührungsloser Schaltvorrichtung, bei welchem die Stellung eines Betätigungselementes eines Ladesteckers mittels eines Magneten und eines Magnetsensors ermittelt wird. Ob jedoch tatsächlich ein Formschluss zwischen dem Ladestecker und einer korrespondierenden Ladebuchse durch ein an dem Betätigungsmittel angeordnetes Rastelement eingegangen ist, kann durch diese Anordnung nicht ermittelt werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorstehend identifizierten Bedarf zu stillen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur Erkennung eines Formschlusses zwischen einem Ladestecker und einer Ladebuchse zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels gelöst. Diese umfasst ein Verriegelungselement („Verriegelungsbolzen“,) welches eingerichtet ist, im Zusammenwirken mit einer Formschlusskulisse der Anordnung einen Formschluss zwischen dem Ladestecker und der Ladebuchse einzugehen. Mit anderen Worten ist der Verriegelungsbolzen an dem Ladestecker und die Formschlusskulisse an der Ladebuchse (oder anders herum) angeordnet. Weiter umfasst die Anordnung ein Magnetelement und einen Magnetfelddetektor, wobei der Magnetfelddetektor zur Erfassung eines Magnetfeldes des Magnetelementes vorgesehen ist. In Abhängigkeit der Stellung des Verriegelungsbolzens unterscheidet sich das vom Magnetfelddetektor erfasste Magnetfeld (verursacht vom Magnetelement) im Falle eines erfolgreichen Formschlusses zwischen dem Verriegelungsbolzen und der Formschlusskulisse von einer solchen Konstellation, in welcher kein Formschluss zwischen dem Ladestecker und der Ladebuchse eingegangen worden ist. Anders ausgedrückt sind der Verriegelungsbolzen, die Formschlusskulisse, das Magnetelement und der Magnetfelddetektor derart an einem Ladestecker und einer korrespondierenden Ladebuchse einer Ladeanordnung angeordnet, dass nur im Fall eines Formschlusses zwischen dem Verriegelungsbolzen und der Formschlusskulisse ein in vordefinierter Weise spezifiziertes Magnetfeld durch den Magnetfelddetektor erfasst wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Magnetfelddetektor, wie im Stand der Technik üblich, ein mit einem i. O.-Zustand korrespondierendes Signal sendet, ohne dass tatsächlich eine erfolgreiche Verriegelung durch den Verriegelungsbolzen und die Formschlusskulisse vorliegt. Beschädigungen einer Ladeanordnung sowie Gefahr für Mensch und Material können so zuverlässig verhindert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das Magnetelement kann beispielsweise als Permanentmagnet ausgestaltet sein, wodurch sich eine elektrische Verbindung beziehungsweise elektrische Leistungsversorgung zur Erzeugung des Magnetfeldes erübrigt. Alternativ oder zusätzlich kann das Magnetelement eine Spule umfassen, welche zur Erzeugung eines konstanten oder wechselnden Magnetfeldes eingerichtet ist. Hierzu ist die Spule bekanntermaßen über eine elektrische Energiequelle mit einem Strom zu speisen. Die hierzu erforderliche Spannung kann beispielsweise eine 12-Volt-Gleichspannung, ein auf einer sogenannten Proximity-Pilot-Leitung oder einer Control-Pilot-Leitung anliegendes elektrisches Signal verwendet werden. Die Verwendung von instationären Magnetfeldern ermöglicht eine zusätzliche Absicherung gegenüber versehentlich oder missbräuchlich erzeugten Magnetfeldern. Insbesondere bei Kommunikation des zur Magnetfelderzeugung verwendeten Signals über einen zweiten Kanal (zusätzlich zum Magnetfelddetektor vorhandener Kanal) kann die Herkunft des Magnetfeldes anhand des über den zweiten Kanal empfangenen Signals verifiziert werden.
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Der Magnetfelddetektor kann beispielweise eingerichtet sein, ein Magnetfeld zu erfassen und dessen Ursprung, insbesondere anhand eines über eine elektrische Leitung erfassten elektrischen Signals, zu verifizieren. Die elektrische Leitung kann beispielsweise die Proximity-Pilot-Leitung und/oder die Control-Pilot-Leitung sein, welche zum Laden des elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels verwendet wird. Auf diese Weise erübrigt sich eine zusätzliche Leitung und ohnehin bereitgestellte (z. B. pulsweitenmodulierte (PWM)) Signale können mehrfach verwendet werden. Dies ermöglicht eine weitgehende Weiterverwendung bereits umfänglich genormter Ladeanordnungen und deren Weiterbildung durch die vorliegende Erfindung.
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Sofern das Magnetelement eine Spule umfasst, kann diese mit einem aus dem Fortbewegungsmittel bezogenen Wechselstrom oder durch eine Pulsweiten-modulierte Spannung einer In-Cable-Control-Box oder einer Pulsweiten-modulierten Spannung einer Ladeinfrastruktureinrichtung gespeist werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ladestecker zur Herstellung einer Anordnung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt vorgeschlagen. In einer Ausprägung umfasst der Ladestecker den Verriegelungsbolzen und das Magnetelement der erfindungsgemäßen Anordnung. Das Magnetelement ist beispielsweise in dem Verriegelungsbolzen angeordnet, sodass eine verschiebliche Anordnung des Verriegelungsbolzens auch eine verschiebliche Anordnung des Magnetelementes mit sich bringt. Entsprechend kann ein dem gegenüber feststehender Magnetfelddetektor in Abhängigkeit der Position des Verriegelungsbolzens aufgrund variabler Abstände zum Magnetelement unterschiedliche Magnetfeldstärken detektieren. Alternativ können der Verriegelungsbolzen und der Magnetfelddetektor in dem erfindungsgemäßen Ladestecker angeordnet sein, wobei der Magnetfelddetektor in dem Verriegelungsbolzen angeordnet ist. Das Wirkprinzip entspricht dem der vorstehend beschriebenen, umgekehrten Anordnung.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Ladestecker die Formschlusskulisse und das Magnetelement aufweisen, wobei das Magnetelement an der Formschlusskulisse angeordnet ist. Alternativ oder zusätzliche kann der Magnetfelddetektor am Ladestecker angeordnet sein, wobei der Magnetfelddetektor an der Formschlusskulisse angeordnet ist. Es ergibt sich für diese Anordnung, dass ein an der Ladebuchse angeordneter Verriegelungsbolzen derart mit der Formschlusskulisse einen Formschluss zwischen dem Ladestecker und der Ladebuchse eingehen kann, dass sich das vom Magnetfelddetektor erfasste Magnetfeld in Abhängigkeit der Position des Verriegelungsbolzens ändert. Weist der erfindungsgemäße Ladestecker nur das Magnetelement oder den Magnetfelddetektor auf, ist das jeweils andere Element im Verriegelungsbolzen der verwendeten Ladebuchse anzuordnen. Sofern sowohl das Magnetelement als auch der Magnetfelddetektor in dem erfindungsgemäßen Ladestecker angeordnet sind, ist der Verriegelungsbolzen lediglich der Art auszuführen, dass bei erfolgreichem Formschluss eine erkennbare Beeinflussung des vom Magnetdetektor erfassten Magnetfeldes erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ladebuchse zur Herstellung einer Anordnung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt vorgeschlagen, für welche sich die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Ladestecker ausgeführten Merkmale und Merkmalskombinationen entsprechend ergeben. Sofern also der Verriegelungsbolzen und das Magnetelement an der Ladebuchse angeordnet sind, ist das Magnetelement in dem Verriegelungsbolzen angeordnet. Sofern der Verriegelungsbolzen und der Magnetfelddetektor in der Ladebuchse enthalten sind, ist der Magnetfelddetektor in dem Verriegelungsbolzen angeordnet. Sofern die Formschlusskulisse und das Magnetelement in der Ladebuchse enthalten sind, ist das Magnetelement an der Formschlusskulisse angeordnet. Alternativ oder zusätzlich zum Magnetelement kann auch der Magnetfelddetektor an der erfindungsgemäßen Ladebuchse angeordnet sein, wobei in diesem Fall auch der Magnetfelddetektor an der Formschlusskulisse angeordnet ist.
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Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ladeinfrastruktureinrichtung vorgeschlagen, welche ein Ladekabel und einen an dem Ladekabel angeordneten Ladestecker gemäß dem dritt- und viertgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Die Ladeinfrastruktureinrichtung kann beispielsweise eine kommerziell bereitgestellte Ladesäule oder eine in einem Privathaushalt beziehungsweise auf einem Firmengelände angeordnete Wall-Box oder eine In-Cable-Control-Box umfassen.
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Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (z. B. PKW, Transporter, LKW, Wasser- und/oder Luftfahrzeug) vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße Ladebuchse umfasst. Auch für die Ladeinfrastruktureinrichtung und das elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile derart ersichtlich in entsprechender Weise, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine geschnittene schematische Übersicht einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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3 eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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4 eine Detailansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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5 ein Schaltplan zum Mode-1-Laden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Schaltplan zum Mode-3-Laden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Ladestecker 1, welcher über ein Ladekabel 11 empfangene Energie an eine mit einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel (nicht dargestellt) verbundene Ladebuchse 2 abgeben kann. Im Ladestecker 1 ist eine Anordnung A gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Die Anordnung A umfasst einen Verriegelungsbolzen 3, welcher durch eine Kavität im Ladestecker 1 geführt und durch eine Druckfeder 3a vorgespannt ist. Der Verriegelungsbolzen 3 greift in eine Formschlusskulisse 4 in der Ladebuchse 2 ein, sodass ein Lösen der elektrischen Verbindung ohne ein Auflösen des dargestellten Formschlusses nicht möglich ist.
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Ausführungsbeispiele zur Überprüfung der Verriegelung durch die erfindungsgemäße Anordnung A werden in Verbindung mit den 2 bis 4 erläutert.
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2 zeigt eine Anordnung A, bei welcher der Verriegelungsbolzen 3 passiv im Ladestecker angeordnet ist. Er ist lediglich eingerichtet, ein Zusammenwirken an der Formschlusskulisse 4 angeordneter aktiver Elemente in Form eines Magnetelementes 5 und eines Magnetfelddetektors 6 derart zu beeinflussen, dass das vom Magnetfelddetektor 6 erfasste Magnetfeld des Magnetelementes 5 bei einem erfolgten Formschluss von einem solchen unterscheidbar ist, welches sich ohne erfolgten Formschluss einstellt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung A, bei welcher nur das Magnetelement 5 an der Formschlusskulisse 4 angeordnet ist. Der Magnetfelddetektor 6 ist innerhalb des Verriegelungsbolzens 3 angeordnet, sodass sich in Abhängigkeit der Position des Verriegelungsbolzens 3 die vom Magnetfelddetektor 6 detektierte Magnetfeldstärke des Magnetelementes 5 verändert.
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4 zeigt eine prinzipiell der 3 entsprechende Anordnung, bei welcher lediglich die Position des Magnetelementes 5 und des Magnetfelddetektors 6 ausgetauscht wurden.
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5 zeigt eine Anordnung zum Mode-1-Laden, bei welchem von einem Kraftwerk 7 stammende, über eine Ladeinfrastruktur 14 aufbereitete Energie an ein im Fahrzeug angeordnetes Ladegerät 8 übertragen wird. Die erfolgreiche Kontaktierung der fünf Pins P1 P2, P3, P4, P5 zwischen dem Ladestecker 1 und der fahrzeugseitigen Ladebuchse 2 wird über eine sogenannte Proximity-Detection-Einheit 9 überwacht. Der Aufbau der dargestellten Anordnung ist dem Fachmann weitgehend bekannt, sodass zur Funktion und den Elementen auf die Fachliteratur verwiesen werden darf. Erfindungsgemäß ist jedoch eine Spule L elektrisch zwischen dem dritten Pin P3 (PE) und dem fünften Pin P5 (Proximity-Pilot) angeordnet. Die Spule L kann entweder parallel zum Widerstand R6 oder direkt mit den an den Pins P3 und P5 herrschenden elektrischen Potenzialen beaufschlagt werden. Auf diese Weise kann ein durch die Spule L erzeugtes Magnetfeld verwendet werden, einen (nicht dargestellten) Magnetfelddetektor (siehe Anordnungen gemäß den 2, 3 und 4) als Magnetelement 5 mit einem Magnetfeld zu versorgen.
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6 zeigt einen Schaltplan zum Mode-3-Laden, welcher zusätzlich zum in 5 dargestellten Aufbau einen Control-Pilot (CP) aufweist, welcher einer Pilot-Function-Auswerteeinheit 10 die Kommunikation mit einer Ladeinfrastruktur über Pulsweitenmodulation (PWM) ermöglicht. Das Vorhandensein des Control-Pilots CP ermöglicht eine Verwendung der pulsweitenmodulierten Signale der Ladeinfrastruktur 14 zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes in der zwischen dem PE-Leiter und dem Control-Pilot CP angeordneten Spule L. Auch hier wirkt die Spule L als Magnetelement 5, deren Magnetfeld durch die in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterte Anordnung zur Erkennung eines erfolgreichen Formschlusses zwischen dem Ladestecker 1 und der Ladebuchse 2 verwendet werden kann.
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Die 5 und 6 zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Schaltung zum Mode-1-Laden beziehungsweise zum Mode-2-Laden durch eine magnetfelderzeugende Spule zwischen den Pins P5 (Proximity) und P3 (PE) am sogenannten Vehicle-Connector ergänzt werden kann. Die magnetfelderzeugende Spule kann beispielsweise parallel zum Widerstand R6 oder die Widerstände R6 und R7 überbrückend angeschlossen werden. Auf diese Weise wird die Spule durch eine Spannung von 12 Volt gespeist. Das hierbei erzeugte Magnetfeld kann erfindungsgemäß zur Erkennung des Formschlusses verwendet werden, wenn die Spule im Falle eines erfolgreichen Formschlusses möglichst nahe an dem Verriegelungsbolzen angeordnet ist. Die Speisung der Spule kann dabei über +12 Volt Gleichspannung (z. B. der Niedervoltbatterie) oder über eine eigens zum Zwecke der vorliegenden Erfindung erzeugte Wechselspannung oder über die am Control-Pilot (CP) anliegende Spannung erfolgen. Der Vorteil bei einer Wechselspannung ist, dass diese das Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Spule entsprechend variabel erzeugen kann, welche vom Magnetfelddetektor detektiert und plausibilisiert werden kann. Insbesondere der Zeitverlauf der erfassten Magnetfelder kann mit einem zu deren Erzeugung verwendeten Strom verglichen werden. Der Magnetfelddetektor kann beispielsweise als Hall-Sonde ausgeführt sein und/oder in der Spitze des Verriegelungsbolzens integriert sein. Die Auswertung kann über eine Logikeinheit innerhalb des Fahrzeuges/des Fortbewegungsmittels erfolgen. Wird die magnetfelderzeugende Spule im Fahrzeug mit Wechselspannung über einen Generator oder über die pulsweitenmodulierten Signale der Ladesäule/In-Cable-Box gespeist, plausibilisiert die Logik das Messsignal der Hall-Sonde mit dem generierten Signal des Generators über einen zweiten, eigen- oder fremdgesteuerten Messeingang oder mit dem pulsweitenmodulierten Signal (fremdgesteuert) des Control-Pilot-Kontaktes.
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Auf diese Weise kann ein definiert angelegtes Magnetfeld, dessen definierte Manipulation in Frequenz und/oder Amplitude und eine Messung am Magnetfelddetektor sicher festgestellt werden, ob ein genormter Stecker tatsächlich mit einer Buchse verriegelt wurde. Die vorliegende Erfindung kann als Vorschlag betrachtet werden, den Ladestecker der Norm IEC 62196 z.B. um ein Magnetelement in Form einer magnetfelderzeugenden Spule zu ergänzen.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ladestecker
- 2
- Ladebuchse
- 3
- Verriegelungsbolzen
- 3a
- Druckfeder
- 4
- Formschlusskulisse
- 5
- Magnetelement
- 6
- Magnetfelddetektor
- 7
- Energieversorger (prüfen!)
- 8
- Eingang Ladegerät
- 9
- Proximity-Detection-Einheit
- 10
- Pilot-Function-Einheit
- 11
- Ladekabel
- 14
- Ladeinfrastruktur/Ladesäule
- A
- Anordnung
- L
- Spule/Magnetelement
- P1 bis P5
- Pins
- R
- Widerstand
- S
- Schalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008009929 U1 [0003]
- DE 102011002024 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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